Изомерия - удивительное и многообразное явление в органической химии. Открытие изомеров в XIX веке кардинально изменило представления ученых о строении и свойствах органических соединений.
Понятие изомерии в органической химии
Изомерия (от греческих слов isos - равный и meros - часть) - это существование соединений с одинаковым качественным и количественным составом, но с различным расположением атомов в молекуле, что определяет различия в свойствах этих веществ.
Первые изомеры - циановокислое и гремучее серебро с формулой AgCNO - были открыты в 1823 году Юстусом Либихом и Фридрихом Велером.
Термин "изомерия" в 1830 году предложил шведский химик Йенс Берцелиус. Он высказал предположение, что изомерия связана с "различным распределением атомов в сложных молекулах".
Подлинное объяснение природы изомерии дала теория химического строения органических соединений, разработанная в 1860-х годах русским ученым Александром Бутлеровым. Бутлеров показал, что свойства вещества определяются не только его качественным и количественным составом, но и внутренним строением молекул, порядком соединения атомов.
Классификация изомерии
В настоящее время различают два основных типа изомерии:
- Структурная изомерия
- Пространственная (стереоизомерия)
Структурная изомерия
Структурная изомерия обусловлена различиями в последовательности соединения атомов в молекуле. Выделяют несколько разновидностей структурной изомерии:
- Изомерия углеродного скелета - изменение порядка связи атомов углерода
- Изомерия положения функциональных групп - разное положение функциональных групп в углеродной цепи
- Изомерия положения кратных связей - изменение положения двойных или тройных связей в молекуле
- Межклассовая изомерия - образование соединений разных классов с одинаковой молекулярной формулой
Рассмотрим примеры структурных изомеров:
| Бутан | CH3-CH2-CH2-CH3 |
| Изобутан | (CH3)2CH-CH3 |
Данные изомеры имеют одинаковый состав C4H10, но различное строение молекулы, обусловленное перестановкой метильной группы. Это приводит к различию в температурах кипения: -0,5°С у изобутана и -0,9°С у н-бутана.
Пространственная (стереоизомерия)
Этот вид изомерии возникает при различном расположении заместителей в молекуле относительно плоскостей симметрии или асимметрических центров.
Основные типы пространственной изомерии:
- Геометрическая (цис-транс) изомерия
- Оптическая изомерия
К пространственным изомерам относятся вещества, называемые стереоизомерами. Их молекулы являются зеркальным отражением друг друга.
Оптическая изомерия возникает при наличии в молекуле асимметрического атома углерода, связанного с четырьмя различными заместителями. Такие изомеры могут вращать плоскость поляризованного света в разные стороны. Пример оптических изомеров - D- и L-формы аминокислот и сахаров.
Геометрическая (цис-транс) изомерия
Этот вид пространственной изомерии возникает при различном расположении заместителей относительно плоскости двойной связи или цикла. Различают цис- и транс-изомеры.
Например, у малеиновой и фумаровой кислот есть разные физические свойства, несмотря на одинаковый состав C4H4O4. Это связано с цис-транс-изомерией - в малеиновой кислоте карбоксильные группы находятся по одну сторону от двойной связи (цис-положение), а в фумаровой - по разные (транс-положение).
Хиральность и энантиомерия
Хиральность молекулы означает ее несовместимость со своим зеркальным отражением. Асимметрический атом углерода придает молекуле хиральные свойства.
Оптические изомеры молекул с асимметрическим центром называются энантиомерами. Они являются зеркальными антиподами друг друга.
Например, энантиомерами являются D- и L-формы аминокислот. В природе чаще встречаются L-аминокислоты.
Конформационная изомерия
Этот вид изомерии связан с вращением вокруг одинарных связей, приводящим к различному пространственному расположению атомов и групп.
Например, в этане атомы водорода при вращении вокруг связи C-C могут располагаться эклипсное (в одной плоскости) или друг относительно друга. Это конформеры - разновидности конформационных изомеров.
Методы идентификации изомеров
Для определения видов изомерии и разделения изомеров используют разные физико-химические методы:
- Хроматографические методы
- Спектральный анализ
- Поляриметрия
- Определение температур плавления и кипения
Например, для идентификации оптических изомеров используют поляриметрию - измерение углов вращения плоскости поляризации. Стереоизомеры можно разделить методом хроматографии.
Значение изомерии
Существование изомерии имеет большое значение в различных областях:
- Увеличивает разнообразие органических соединений
- Объясняет селективность действия лекарств
- Используется в пищевой промышленности
- Применяется в парфюмерии
Разнообразие органических соединений
Благодаря изомерии резко возрастает потенциально возможное число органических веществ с заданным элементным составом. Например, для дециловых спиртов теоретически может существовать более 500 структурных и 1500 стереоизомеров.
Селективность действия лекарств
Многие лекарственные препараты являются стереоизомерами. Их фармакологические свойства сильно зависят от пространственного строения молекул. Один изомер может оказывать терапевтическое действие, тогда как другой быть неактивным или даже токсичным.
Применение в пищевой промышленности
Изомеры широко используются в производстве пищевых продуктов для улучшения вкусовых качеств. Например, ванилин имеет приятный запах ванили. А его изомер сиреневый альдегид обладает запахом сирени.
Использование в парфюмерии
Многие парфюмерные композиции включают стереоизомеры с различными запахами. Цис-изомеры обычно обладают более сильным ароматом по сравнению с транс-изомерами.
Изомерия и биологическая активность
Изомерия играет важную роль в функционировании живых организмов. Многие биологически активные соединения являются хиральными молекулами.
Аминокислоты
Аминокислоты, из которых состоят белки, существуют только в L-форме. D-аминокислоты не встраиваются в структуру белков и могут оказывать токсическое действие.
Углеводы
Природные сахара, такие как глюкоза и фруктоза, имеют определенную абсолютную конфигурацию асимметрических атомов углерода и относятся к D-ряду углеводов.
Ферменты
Ферменты проявляют стереоселективность - катализируют реакции только с участием определенных стереоизомеров субстратов. Это связано с пространственным сопряжением фермента и субстрата.
Асимметрический синтез
Особое значение имеют методы направленного асимметрического синтеза, позволяющие получать стереоизомеры с заданной конфигурацией асимметрических центров. Это важно для производства лекарственных препаратов.
